Reacción acrosómica

Durante la fertilización, un espermatozoide primero debe fusionarse con la membrana plasmática y luego penetrar el óvulo femenino para fertilizarlo. La fusión con el óvulo suele causar pocos problemas, mientras que penetrar a través de la cáscara dura o la matriz extracelular del óvulo puede ser más difícil. Por tanto, los espermatozoides pasan por un proceso conocido como reacción acrosómica, que es la reacción que se produce en el acrosoma del espermatozoide a medida que se acerca al óvulo.

El acrosoma es un orgánulo rodeado de membrana que se origina en el aparato de Golgi, comúnmente ubicado en la punta de la cabeza del espermatozoide maduro. Alguna vez se le llamó "cuerpo apical" debido a su ubicación, o "perforatorio" suponiendo que podría ayudar al espermatozoide a perforar el óvulo.

A medida que el espermatozoide se acerca a la zona pelúcida del óvulo, que es necesaria para iniciar la reacción acrosómica, la membrana que rodea el acrosoma se fusiona con la membrana plasmática de la cabeza del espermatozoide, exponiendo el contenido del acrosoma. El contenido incluye antígenos de superficie necesarios para unirse a la membrana celular del óvulo y numerosas enzimas que son responsables de romper la dura capa del óvulo y permitir que se produzca la fertilización.

Variaciones entre especies

Existen variaciones considerables entre especies en la morfología y las consecuencias de la reacción acrosómica. En varias especies, el desencadenante de la reacción acrosómica se ha identificado en una capa que rodea el huevo.

Equinodermos

En algunas especies de animales inferiores, se forma una protuberancia (el proceso acrosómico) en el vértice de la cabeza del espermatozoide, sostenida por un núcleo de microfilamentos de actina. La membrana en la punta del proceso acrosómico se fusiona con la membrana plasmática del óvulo.

In some echinoderms, including starfish and sea urchins, a significant portion of the exposed acrosomal content contains a protein that temporarily holds the sperm on the egg 's surface.

Mamíferos

En los mamíferos, la reacción del acrosoma libera hialuronidasa y acrosina; su papel en la fertilización aún no está claro. La reacción acrosómica no comienza hasta que el espermatozoide entra en contacto con la zona pelúcida del ovocito. Al entrar en contacto con la zona pelúcida, las enzimas acrosómicas comienzan a disolverse y el filamento de actina entra en contacto con la zona pelúcida. Una vez que los dos se encuentran, se produce una entrada de calcio, lo que provoca una cascada de señales. Los gránulos corticales dentro del ovocito luego se fusionan con la membrana externa y se produce una rápida reacción de bloqueo.

También altera un parche de la membrana plasmática del espermatozoide preexistente para que pueda fusionarse con la membrana plasmática del óvulo.

Un ensayo de penetración de espermatozoides incluye una prueba de reacción acrosómica que evalúa qué tan bien puede desempeñarse un espermatozoide durante el proceso de fertilización. Los espermatozoides que no puedan pasar adecuadamente por la reacción acrosómica no podrán fertilizar un óvulo. Sin embargo, este problema sólo ocurre en aproximadamente el 5% de los hombres que se realizan la prueba. Esta prueba es bastante cara y proporciona información limitada sobre la fertilidad de un hombre.

En otros casos, como en el ratón de campo Apodemus sylvaticus, se ha descubierto que reacciones acrosómicas prematuras causan un aumento de la motilidad en agregados de espermatozoides que promueven la fertilización.

El proceso

La reacción acrosómica suele tener lugar en la ampolla de la trompa de Falopio (lugar de fecundación) cuando el espermatozoide penetra en el ovocito secundario. Algunos eventos preceden a la reacción acrosómica real. El espermatozoide adquiere un "patrón de motilidad hiperactiva" por lo que su flagelo produce vigorosos movimientos a modo de látigo que impulsan a los espermatozoides a través del canal cervical y la cavidad uterina hasta llegar al istmo de las trompas de Falopio. Los espermatozoides se acercan al óvulo en la ampolla de las trompas de Falopio con la ayuda de diversos mecanismos, incluida la quimiotaxis. Las glicoproteínas de la superficie exterior del esperma se unen a las glicoproteínas de la zona pelúcida del óvulo.

Los espermatozoides que no iniciaron la reacción acrosómica antes de llegar a la zona pelúcida no pueden penetrar la zona pelúcida. Dado que la reacción acrosómica ya ha ocurrido, los espermatozoides pueden penetrar la zona pelúcida debido a la acción mecánica de la cola, no debido a la reacción acrosómica en sí.

La primera etapa es la penetración de la corona radiata, mediante la liberación de hialuronidasa del acrosoma para digerir las células del cúmulo que rodean el ovocito y exponer la acrosina adherida a la membrana interna del espermatozoide. Las células del cúmulo están incrustadas en una sustancia similar a un gel hecha principalmente de ácido hialurónico y se desarrollan en el ovario con el óvulo y lo sostienen a medida que crece. La reacción acrosómica debe ocurrir antes de que el espermatozoide llegue a la zona pelúcida.

La acrosina digiere la zona pelúcida y la membrana del ovocito. Luego, parte de la membrana celular del espermatozoide se fusiona con la membrana del óvulo y el contenido de la cabeza se hunde en el óvulo. En el ratón, se ha demostrado que ZP3, una de las proteínas que forman la zona pelúcida, se une a una molécula asociada (a los receptores de β1,4-galactosil transferasa) en el espermatozoide. Este mecanismo de tipo cerradura y llave es específico de cada especie e impide que los espermatozoides y los óvulos de diferentes especies se fusionen. La zona pelúcida también libera gránulos de Ca para evitar que otros espermatozoides se unan. Existe cierta evidencia de que esta unión es lo que hace que el acrosoma libere las enzimas que permiten que el espermatozoide se fusione con el óvulo. Es probable que ocurra un mecanismo similar en otros mamíferos, pero la diversidad de proteínas de la zona entre especies significa que la proteína y el receptor relevantes pueden diferir.

La evidencia científica más reciente demuestra que la reacción acrosómica es necesaria para exponer una proteína llamada IZUMO1 en el esperma: sin la reacción, los espermatozoides aún pueden penetrar a través de la zona pelúcida hasta la membrana del óvulo, pero no pueden fusionarse. Como se ha visto en estudios con ratones, IZUMO1 se une a la proteína del ovocito JUNO y una vez unidos, el espermatozoide y el óvulo se fusionan para formar dos pronúcleos. Estos pronúcleos suministran al cigoto el material genético necesario para la formación de un embrión. Además, una vez que se completa la fusión del espermatozoide y el ovocito, el espermatozoide libera fosfolipasa C zeta.

Tras la penetración, si todo ocurre normalmente, se produce el proceso de activación del óvulo y se dice que el ovocito se ha activado. Se cree que esto es inducido por una proteína fosfolipasa c zeta específica. Sufre su división meiótica secundaria y los dos núcleos haploides (paterno y materno) se fusionan para formar un cigoto. Para prevenir la polispermia y minimizar la posibilidad de producir un cigoto triploide, varios cambios en las membranas celulares del óvulo las vuelven impenetrables poco después de que el primer espermatozoide ingresa al óvulo (como la rápida pérdida de JUNO).

Reacción acrosómica espontánea

Los espermatozoides pueden iniciar la reacción acrosómica mucho antes de llegar a la zona pelúcida, así como in vitro en un medio de cultivo apropiado. Esto se conoce como reacción acrosómica espontánea (SAR).

Ahora se sabe que, en cierto sentido, este fenómeno es fisiológicamente normal en todas las especies de mamíferos. La reacción acrosómica se induce mediante el paso a través de las células del cúmulo oóforo, mediado por las hormonas que estas secretan (como la progesterona, LPA, LPC).

Sin embargo, el papel fisiológico de la reacción acrosómica verdaderamente espontánea, que ocurre mucho antes de este punto en el tracto reproductivo femenino, o in vitro, es un fenómeno aparte.

En ratones, se ha establecido que es fisiológicamente normal y común. Los espermatozoides de ratón que han sufrido una reacción acrosómica totalmente espontánea todavía pueden fertilizar óvulos. Además, la tasa de reacción acrosómica espontánea es mayor en especies más promiscuas como Apodemus sylvaticus, que se enfrentan a un alto nivel de competencia espermática.

En los seres humanos, por el contrario, sigue habiendo controversia sobre dónde exactamente se inicia la reacción acrosómica en la fertilización fisiológica, debido a limitaciones experimentales (por ejemplo, los estudios en animales pueden utilizar ratones transgénicos con esperma fluorescente, mientras que los estudios en humanos no pueden).

Se han realizado estudios con la intención de vincular la tasa de SAR in vitro en el esperma humano con la calidad del esperma y la tasa de fertilización, pero los resultados generales son mixtos y no parecen ser clínicamente útiles hasta el momento. 2018.

Fecundación in vitro

Cuando se utiliza la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) para la FIV, la tasa de implantación es mayor en los ovocitos inyectados con espermatozoides que han experimentado una reacción acrosómica (~40%) frente a aquellos inyectados con espermatozoides que no reaccionaron (~10%). La tasa de implantación es ~25% cuando se inyectan espermatozoides que reaccionaron y no reaccionaron. La tasa de entrega por ciclo sigue la misma tendencia.

La reacción acrosómica puede estimularse in vitro mediante sustancias que el espermatozoide puede encontrar de forma natural, como la progesterona o el líquido folicular, así como el ionóforo de calcio A23187, más comúnmente utilizado.

Evaluación

Se puede utilizar microscopía de birrefringencia, citometría de flujo o microscopía de fluorescencia para evaluar el desprendimiento del acrosoma o la "reacción acrosómica" de una muestra de esperma. La citometría de flujo y la microscopía de fluorescencia generalmente se realizan después de teñir con una lectina fluoresceinada como FITC-PNA, FITC-PSA, FITC-ConA o un anticuerpo fluoresceinado como FITC-CD46. Los anticuerpos/lectinas tienen una alta especificidad por diferentes partes de la región acrosómica y solo se unirán a un sitio específico (contenido acrosómico/membrana interna/externa). Si se une a una molécula fluorescente, se pueden visualizar las regiones donde se han unido estas sondas. Los espermatozoides con reacciones acrosómicas inducidas artificialmente pueden servir como controles positivos.

Para la microscopía de fluorescencia, se prepara un frotis de espermatozoides lavados, se seca al aire, se permeabiliza y luego se tiñe. Luego, dicho portaobjetos se observa bajo la luz de una longitud de onda que hará que la sonda emita fluorescencia si está unida a la región acrosómica. Al menos 200 células se consideran arbitrariamente y se clasifican como acrosoma intacto (verde brillante fluorescente) o acrosoma reaccionado (sin sonda presente o solo en la región ecuatorial). Luego se expresa como porcentaje de las células contadas.

Para la evaluación con citometría de flujo, las células lavadas se incuban con la sonda elegida, posiblemente se pasan nuevamente y luego se toman muestras en un citómetro de flujo. Después de seleccionar la población celular según la dispersión directa y lateral, se pueden analizar los datos resultantes (por ejemplo, comparar las fluorescencias medias). Con esta técnica, también se podría incluir una sonda de viabilidad como el yoduro de propidio (PI) para excluir las células muertas de la evaluación del acrosoma, ya que muchos espermatozoides perderán espontáneamente su acrosoma cuando mueran.